Содержание

1. Цель работы…………………………………………………………..4

2. Теоретическая часть………………………………………………….4

3. Экспериментальная часть……………………………………………8

3.1. Приборы и оборудование………………………………………….8

3.2. Требования по технике безопасности…………………………….9

3.3. Изучение поглощения космического излучения в свинце………9

3.4. Изучение углового распределения интенсивности

космического излучения………………………………………………..11

4. Контрольные вопросы………………………………………………..12

Список литературы……………………………………………………..12

Лабораторная работа № 88

Исследование космического излучения

1. Цель работы

1) изучение зависимости интенсивности космического излучения от толщины пройденных им свинцовых пластин;

2) проверка феноменологической формулы зависимости интенсивности космического излучения от угла наблюдения.

2. Теоретическая часть

Космическими лучами называется излучение, проходящее на Землю из космического пространства. Они были обнаружены в начале 20 века при изучении ионизации земной атмосферы. Экспериментальные факты показали, что интенсивность ионизации незначительно уменьшается при подъеме в атмосферу на 1000 м, а затем резко увеличивается, что нельзя объяснить, если считать, что источники ионизации находятся в недрах Земли. На рис. 2.1 представлен график зависимости интенсивности космического излучения от высоты над поверхностью Земли.

J

h

100

50

Рис. 2.1

Из рис. 2.1 видно, что на высотах, превышающих 50 – 60 км, наблюдается постоянная интенсивность космических лучей, с приближением к Земле происходит рост интенсивности этих лучей. Это связано с тем, что падающее на Землю космическое излучение взаимодействует с атмосферой, образуя вторичное излучение. Таким образом, различаются первичное и вторичное космические излучения.

В околоземном космическом пространстве первичное космическое излучение состоит из галактического излучения (постоянная компонента) и солнечного излучения (временная компонента).

Исследования показали, что в состав первичных космических лучей входят атомные ядра с энергиями W на один нуклон, заключенными в интервале 10⁹ эв ≤ W ≤ 10¹³ эВ, что во много раз превышает тепловую энергию частиц в самых горячих частях Вселенной. Излучение с энергией < 10¹³ эВ на 92 % состоит из протонов, примерно на 6,6 % из ядер гелия (α – частиц). Более тяжелых ядер (главным образом углерода, азота, кислорода) около 0,8 %. Наряду с протонами и ядрами в космических лучах содержится незначительное количество (< 1 %) электронов и позитронов и 0,01 % γ – квантов.

Гипотезы о происхождении первичного космического излучения опираются на данные об энергии первичных частиц и на радиоастрономические данные. Считается, что в первичных лучах заряженные частицы приобретают большие энергии благодаря ускорению, которое они получают в электромагнитных полях звезд и Солнца. При вращении звезд, обладающих магнитными полями, создаются вихревые электрические поля. Магнитные поля звезд, действуя на протоны и ядра, удерживают их на замкнутых траекториях, двигаясь по которым, они приобретают в электрических полях огромные ускорения.

Свою огромную энергию частицы первичного космического излучения расходуют, главным образом, при неупругих столкновениях с ядрами атомов азота и кислорода воздуха в верхних слоях атмосферы. Результатом этих столкновений и связанных с ними процессов и являются вторичные космические лучи, которые достигают поверхности Земли. Оценки длин пробегов протонов и тяжелых ядер первичных лучей показывают, что ниже 20 км от поверхности Земли все космическое излучение является вторичным.

Вторичное космическое излучение состоит из двух компонент: мягкой (сильно поглощается свинцом) и жесткой (обладает в свинце большой проникающей способностью).

Мягкая компонента представлена электронами, позитронами и фотонами. «Родоначальниками» мягкой компоненты являются γ – кванты больших энергий, образующихся при распаде π⁰ –мезонов.

π⁰ → hν_γ + hν_γ (2.1)

γ – кванты большой энергии («жесткие» γ – кванты) в поле атомных ядер легко превращаются в пары электрон – позитрон, следующие практически в том же направлении

hν_γ → _-1е + ₊₁е . (2.2)

Образовавшиеся таким образом легкие заряженные частицы – электроны и позитроны – в силу своей малой массы сильно ускоряются в поле встречных ядер и теряют много энергии на тормозное излучение, испускаемое ими. Возникающее таким образом γ – кванты также обладают еще весьма большой энергией и в свою очередь обращаются в пары электрон – позитрон. В результате каждый π⁰– мезон большой энергии оказывается родоначальником множества легких частиц (электронов, позитронов, γ – квантов), число которых нарастает лавинообразно (рис.2.2).

Рис. 2.2

Описанный процесс носит название каскадного космического ливня. Нарастание ливня происходит до тех пор, пока энергия γ – квантов достаточна для образования пары, т.е. превышает 1 МэВ. Так как энергия первичной частицы делится между всеми ее потомками (а также тратится на производимую ими ионизацию по пути), то в конце концов размножение частиц прекращается. Образовавшиеся позитроны, замедлившись, аннигилируют со встречными электронами, порождая γ – кванты малой энергии, поглощаемые веществом.

В силу того, что γ – кванты легко превращаются в веществе в пары, а электроны и позитроны теряют энергию и на ионизацию, и на тормозное излучение, они не могут проходить слои вещества большой толщины, что и объясняет их «мягкость».

Жесткая компонента космического излучения состоит из μ – мезонов (мюонов), возникающих в результате распада заряженных π – мезонов (пионов).

π ⁺→ μ ⁺ + ν_μ,

π ^-→ μ ^- +(2.3)

μ ⁺ и μ ^- – положительный и отрицательный мюоны, ν_μ– мюонное нейтрино,– мюонное антинейтрино.

Масса мюонов значительно больше массы электронов, в электрических полях атомов они испытывают в сотни раз меньшее ускорение, чем электроны и позитроны, следовательно их потери энергии на тормозное излучение сравнительно очень малы. При больших энергиях единственный вид потери энергии – на ионизацию атомов по пути – тоже невелик. В результате мюоны, время жизни которых из – за их больших скоростей увеличено (это следует из теории относительности) не только достигают Земли, но и проникают на большую глубину в ее недра или под воду (на сотни метров).

Атмосфера сильно поглощает мягкую компоненту вторичного излучения, до Земли доходят фактически только высокоэнергетические галактические лучи с энергией более 10¹⁰эВ. Например, на уровне моря интенсивности жесткой и мягкой компоненты составляют:

J_ж= 1,7·10 ^–2част/см²·с,J_м= 1,7·10 ^–2част/см²·с.